柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩地球化学特征及意义

2020-07-22冯进来王秋玉吴海光戴春雷

中国锰业 2020年3期

冯进来，王秋玉，吴海光，戴春雷，马妍

(东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163000)

近些年来，随着吉林油田外围盆地勘探进程，逐步发现柳河盆地有很大勘探潜力，有关学者先后对该盆地进行了研究。孟元林等[1]通过对东北地区东部盆地群下白垩统烃源岩特征和页岩气勘探潜力进行调查，发现东部盆地群下白垩统泥页岩地化特征和储层条件良好，有很好的勘探远景。蓝艺植等[2]通过对柳河盆地鹰嘴砬子组沉积特征和储层特征的分析，发现柳河盆地鹰嘴砬子组储层曾发生油气的运聚，盆地内存在致密储层和油气藏。徐盛侠等[3]研究了柳河盆地烃源岩、储集层和生储盖组合特征，发现了柳河盆地具有良好的油气成藏条件，具有一定勘探前景。因此，从前人研究来看，柳河盆地可能是一个有一定生烃潜力的盆地，然而，目前关于盆地主力生油气层位的研究还很薄弱，影响了该区的勘探进程。本文以柳地1井，柳地2井岩心为主要研究对象，利用有机质热解、总有机碳(TOC)、干酪根镜检、饱和烃气相色谱(GC)和饱和烃色谱—质谱分析(GC-MS)等实验对烃源岩的生烃潜力和沉积环境进行研究，从而为柳河盆地的油气勘探提供依据。

1 地质背景

柳河盆地是我国松辽盆地东部外围盆地群中的一个重要的次级沉积盆地。盆地位于东部外围盆地群的南西位置，主要受敦密断裂带控制，紧邻通化盆地、抚松盆地，面积约1 300 km2，呈现出中部窄、北东与南西宽的形态特征(见图1)[4]。

柳河盆地为古生界和前古生界变质岩基底，主要发育中生界下白垩统地层，部分还发育侏罗系地层。下白垩统自下而上发育果松组、鹰嘴砬子组、林子头组和亨通山组。前人研究表明，柳河盆地属于侏罗纪山前断陷盆地，总共经历过4期火山喷发[5]。火山作用使柳河盆地被充填，火山岩在盆地中开始发育并遭受剥蚀。柳河盆地沉积相主要分为扇三角洲、湖泊相和混相3个亚相。根据野外露头和钻井资料显示，柳河盆地主要岩石为含砾粗砂岩、粉砂质泥岩和安山岩等(见图2)[2]。

2 样品采集及实验方法

本次测试样品全部来自吉林省东部外围盆地柳河盆地柳地1井、柳地2井鹰嘴砬子组岩心。实验所有过程均在东北石油大学地球化学实验室完成。样品总共49块，其中大部分都为灰黑色泥岩。实验内容包括TOC测定、岩石热解分析、干酪根镜检、有机元素分析、RO测定、饱和烃色谱—质谱分析和饱和烃气相色谱分析等。

图1 吉林省东部盆地群分布

图2 柳河盆地综合柱状描述

把取回来的岩心粉碎至0.2 mm粒径。用1‰天平称取0.50 g，装入坩埚，依次按顺序摆放在瓷盘中。向瓷盘中缓缓加入过量5%盐酸，放在电热板上，温度控制在60～80℃，溶样2.5 h，直至反应完全。将溶解好的样品转移到置于抽滤器上的坩埚里，用蒸馏水洗净残留的酸液；再置于70～80℃的烘箱内干燥待用。这一过程的目的是去除无机碳。去除无机碳后，在烘干的盛有试样的瓷坩埚中加入铁屑助熔剂约1 g、钨粒助熔剂约1 g，输入试样质量，上机测定TOC含量。

岩心磨碎后，用0.150 mm(100目)的筛网进行筛选，进行热解分析，随后用索氏抽提法将样品中的有机质萃取出来，之后在进行族组成分离。把族组成分离出来的饱和烃用Gas Chromatograph Clarus 500气相色谱仪进行饱和烃气相色谱分析。气相色谱条件：色谱柱为HP-5MS石英弹性毛细管柱(60 m×0.25 μm)；进样口温度为300℃；检测器温度为310℃；载气为氦气；载气流量1 mL/min；分流比为1∶10。升温程序：初温为80℃，恒温0.5 min；以20℃/min升温速率升到150℃，恒温0.5 min；以3℃/min升温速率升到310℃，恒温30 min。用Clarus 500 05248700气相色谱—质谱仪进行饱和烃色谱—质谱分析。色谱条件：色谱柱为HP-5MS石英弹性毛细管柱(60 m×0.25 μm)；进样口温度为300℃；检测器温度为310℃；载气为氦气；载气流量1 mL/min。升温程序：初温为80℃，恒温0.5 min；以20℃升温速率升至150℃，恒温0.5 min；以3℃升温速率升至310℃，恒温30 min。质谱条件：扫描周期1.3 s，选择粒子扫描。

3 烃源岩地球化学特征及意义

3.1 有机质丰度

有机质丰度是反映烃源岩特征的一个重要方面，有机质丰度可以反映烃源岩生烃潜力和产物特征。通常TOC、氯仿沥青“A”、S1和S2等参数是反映有机质丰度的重要参数。在大部分情况下，烃源岩的TOC含量更容易测定，且TOC能反映沉积物中有机质的总量[6]。根据柳地1井、柳地2井鹰嘴砬子组49个样品测试结果显示，柳河盆地白垩统鹰嘴砬子组TOC分布范围为0.1%～1.5%，平均值为0.6%，属于中等烃源岩，其中TOC<0.4%和TOC在0.6%～1.0%之间的烃源岩所占比例较大(见图3)。

图3 柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩TOC分布频率

根据我国陆相烃源岩有机质丰度评价指标(SY/T5735-1995)，柳河盆地鹰嘴砬子组有机质丰度为中等。从S1+S2随深度变化分布上看(见图4)，本区S1+S2分布并无明显规律，S1+S2值基本都小于0.15 mg/g，分析S1，S2这两个参数过低可能与本区有机质成熟度有关[7]，故选取TOC作为本区有机质丰度的主要指标。

图4 柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩S1+S2随深度变化散点分布

3.2 有机质类型

有机质类型是衡量有机质产烃能力的主要参数，同时也决定了主要产物的类型。判断有机质类型的方法主要是干酪根镜检，镜下观察有机质的显微组分，根据各显微组分含量所占百分比来区分有机质类型。还可以通过测量有机质H、C、O元素含量，比较H/C，O/C的关系来区分有机质类型。本文通过这两种方法来判断柳河盆地鹰嘴砬子组有机质类型。

根据柳地1井、柳地2井鹰嘴砬子组46个样品干酪根镜检统计情况看，干酪根显微组分中，腐泥组和壳质组含量占绝对优势，而惰质组含量很少。通过干酪根显微组分三角图看，所有样品显微组分也是以腐泥组为主(见图5)。

图5 干酪根显微组分三角状

通过各显微组分含量，计算出TI类型指数：

TI=100a+80b1+50b2-75c-100d

(1)

式(1)中，a为腐泥组百分含量，%；b1为树脂体百分含量，%；b2为孢粉体、木栓体、角质体、壳质碎屑体、腐殖无定形体、菌孢体百分含量，%；c为镜质组百分含量，%；d为惰质组百分含量，%。

根据TI类型指数判别标准，TI类型指数大于80为Ⅰ型干酪根。从本区TI类型指数直方图看(见图6)，TI类型指数大于80的样品占所有样品的85%，反映出柳河盆地鹰嘴砬子组干酪根类型主要是Ⅰ-Ⅱ1型，Ⅰ型占绝大部分。

有机质类型主要为腐泥型，夹杂少量腐泥—腐殖型，为良好的生油母质。根据氢碳氧碳原子比关系图(见图7)，柳河盆地鹰嘴砬子组大部分干酪根类型落在Ⅲ型附近，产生这一现象的原因可能是由于研究区内火山作用产生大量热量，而使有机质成

图6 柳河盆地鹰嘴砬子组干酪根TI类型指数分布

熟度过高，此时可能为残碳阶段[8]。

图7 柳河盆地鹰嘴砬子组干酪根H/C、O/C原子比散点分布

从图7中可以看出：鹰嘴砬子组烃源岩RO值分布在2%以上，从另一角度证实了柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩处于成熟—高成熟阶段。从干酪根类型上来看，柳河盆地鹰嘴砬子组有机质主要为腐泥型，是良好生油母质，属于好烃源岩。

3.3 有机质成熟度

RO值是目前应用最广泛，最权威的成熟度指标。根据镜质体反射率统计关系上来看，柳河盆地鹰嘴砬子组RO分布范围为3.16%～4.36%，平均值为3.31%，其中大部分RO值大于2%，属于成熟—过成熟阶段。由此可见，鹰嘴砬子组有机质热演化程度很高(见图8)。随着深度增加，镜质体反射率不断增加，有机质也向更成熟阶段不断演化。

图8 柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩RO随深度变化散点分布

Tmax也是有机质成熟度重要指标之一。从Tmax随深度变化散点图上看(图9)，鹰嘴砬子组有机质大部分分布在450～580℃，有机质处于成熟—过成熟阶段，这与镜质体反射率得出的结果一致。在1 100 m时，Tmax发生异常，产生这一异常的原因可能是该层位发育辉长岩和闪长岩，都为火成岩，经前人研究，火成岩的发育是产生Tmax异常的一个重要原因[9]。综合本区样品有机质成熟度，烃源岩成熟度基本都是成熟—高成熟，有良好生气潜力。

3.4 有机质来源和沉积环境

3.4.1 有机质来源

烃源岩的母质来源以及生烃母质的特征对烃源岩的生烃潜力和产物特征起着很重要的作用。一般认为，正构烷烃和甾烷类生物标志化合物可以反映沉积有机质来源和沉积环境等方面的信息。根据前人研究，奇偶优势不明显的低碳数正构烷烃可能指示藻类等水生生物来源而具有奇偶优势的高碳数(>C23)正构烷烃可能指示陆源有机质的输入，这一特点常常被用来判断有机质母质来源[10]。

图9 柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩Tmax随深度变化散点分布

本次研究的柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩正构烷烃参数数据(见表1)可以看出，8个样品的正构烷烃碳数分布范围主要在nC14～nC30，主峰碳基本都位于低碳数正构烷烃，饱和烃低碳数与高碳数烃类比值在0.24～0.85，平均值为0.54，且ΣC(21+22)/ΣC(28+29)平均值在2.3，OEP在1～2之间，但OEP在这里不具有指示意义，因为OEP只对未熟—低熟阶段的样品有效，本次研究区域属于成熟—高成熟地区，故此次不选用OEP作为母质来源的指示参数。综合本区烃源岩低碳数烃类含量占优势，再结合前人对柳河盆地沉积环境的研究，反映出本区有机质来源主要为水生生物[11]。

表1 鹰嘴砬子组烃源岩的地球化学参数

规则甾烷是判别有机质母质来源的一个重要指标。一般认为，水生生物中富含C27甾烷，而高等植物中富含C29甾烷。本区所有样品规则甾烷具有C27>C29>C28，C27-C28-C29呈“L”型分布，反映了样品主要富集C27甾烷，水生生物贡献较大，可能还夹杂少量陆源高等植物贡献，代表本区母质来源主要为水生生物，有机质类型为腐泥型。从规则甾烷C27-C28-C29分布规律看，本区C27甾烷含量明显高于C28、C29甾烷，样品点大部分落在混合源区，但靠近浮游植物和藻类，表示研究区有机质主要母质来源为水生生物，陆源高等植物也有小部分贡献，也能反映出本区沉积环境主要为深湖—半深湖相沉积。

综合分析本区母质来源主要为水生生物，主要为浮游植物，夹杂少量陆源高等植物，有机质类型主要为腐泥型。

3.4.2 沉积环境

生物标志化合物是指示沉积环境的重要指标。类异戊二烯烷烃中，分布最广泛和最常用的化合物是Pr(姥鲛烷)和Ph(植烷)。一般用姥鲛烷与植烷的比值(Pr/Ph)来指示有机质氧化—还原沉积环境环境。柳河盆地鹰嘴砬子组有7组样品饱和烃气相色谱检测出姥鲛烷(Pr)植烷(Ph)，且Pr/Ph值大部分分布在1～2之间，为弱还原环境。根据Pr/nC17-Ph/nC18分布规律(见图10)，2个样品落在陆相环境内，有3个样品落在还原环境，反映出柳河盆地鹰嘴砬子组烃源岩主要为海相和盐湖相沉积，有机质类型为Ⅰ-Ⅱ型，为还原环境下的产物。但有2个样品点没有落在判别图版内，分析其原因，成熟度会在一定程度上影响Pr/Ph，由于本区样品成熟度相对较高，所以Pr/Ph只作为指示本区氧化还原环境的一个侧面指标。

图10 Pr/nC17-Ph/nC18判别

藿烷类化合物作为沉积物分布最广泛的一类生物标志化合物在油气地球化学研究中有很重要的地位。通过前人的研究发现，Ts、Tm与沉积环境有很大联系，一般来说，Tm在还原环境中有广泛分布，相反Ts在氧化环境中占绝对优势[12]。本区样品Tm/Ts接近于1，说明本区处于弱氧化—弱还原沉积环境，一定程度上偏向还原环境。这与姥鲛烷、植烷指示氧化还原环境结果基本一致。

Ts和Tm除了指示有机质沉积环境，还常常被用来指示成熟度。柳河盆地鹰嘴砬子组8个样品Ts/(Ts+Tm)值都在0.5附近(见表1)，表明烃源岩处于成熟阶段。这与之前RO、Tmax和甾烷类化合物判断有机质成熟度结果一致。

伽马蜡烷/C30藿烷是反映沉积环境盐度的一个重要指标，一般认为伽马蜡烷/C30藿烷<0.25为淡水环境，0.25～0.5之间为咸水环境，>0.5为超咸水环境，本区样品伽马蜡烷/C30藿烷平均值为0.225，反映主要沉积环境为淡水环境(见图11～12)。